桥梁横向稳定

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1、,梁桥横向稳定安全性评估方法及对策,石雪飞 同济大学桥梁工程系 2014年10月27日,广东省交通集团技术交流,梁桥横向稳定安全性评估方法及对策研究,引言 研究内容 主要结论,研究内容,研究目的,研究背景,管养策略,倾覆判据,车辆荷载,倾覆机理,梁桥调研,同济大学梁桥工程系 施工与信息技术研究室,梁桥横向稳定安全性评估方法及对策研究,引言 研究内容 主要结论,研究内容,研究目的,研究背景,管养策略,倾覆判据,车辆荷载,倾覆机理,梁桥调研,同济大学梁桥工程系 施工与信息技术研究室,1) 研究背景,引言,2007年至2015年，我国发生了多起梁桥倾覆事故，结构横向稳定安全问题日益受到关注； 200

2、7年包头民族东路高架侧倾（主线） 2009年津晋高速匝道桥侧倾 2010年南京内环高架匝道施工中侧倾 2011年上虞市春晖互通立交匝道侧倾 2012年哈尔滨阳明滩大桥匝道桥侧倾 2015年赣粤高速河源出口匝道桥侧倾 其它匝道桥支座脱空、梁体倾斜、梁体侧移情况不胜枚举,2007年包头民族东路高架侧倾,引言,2009年津晋高速匝道桥侧倾,引言,2010年南京内环高架匝道施工中侧倾,引言,2011年合肥五里墩立交匝道改造施工中侧倾,引言,2011年上虞市春晖互通立交匝道侧倾,引言,2012年哈尔滨阳明滩大桥匝道桥侧倾,引言,2015年赣粤高速河源出口匝道桥侧倾,引言,其它险情,引言,施工中一侧端支座

3、脱空 运营中箱梁严重倾斜 运营中箱梁向曲线外侧移动 这些问题在很多省份多次发生过,引言,需要解决的问题,为什么会支座脱空 为什么弯桥会侧向移动 什么情况下会倾覆 规范设计荷载在进行倾覆验算时是否安全 新桥如何设计 已建桥如何治理,明确梁桥倾覆原因和倾覆过程 建立上海地区梁桥验算车辆荷载 明确上海地区不利梁桥结构形式 判断上海地区梁桥横向稳定安全性 制定上海地区梁桥横向安全管养策略,2) 研究目的,引言,明确梁桥倾覆原因和倾覆过程 建立上海地区梁桥验算车辆荷载 明确上海地区不利梁桥结构形式 判断上海地区梁桥横向稳定安全性 制定上海地区梁桥横向安全管养策略,3) 研究内容,2) 研究目的,引言,梁

4、桥横向稳定安全性评估方法及对策研究,项目概述 研究内容 主要结论,研究内容,研究目的,研究背景,管养策略,倾覆判据,车辆荷载,倾覆机理,梁桥调研,同济大学梁桥工程系 施工与信息技术研究室,弯桥竖向支承布置形式,简支静定曲梁（不能实际使用） 简支超静定曲梁 全抗扭支承连续梁 中间点铰支承连续梁 抗扭、点铰交替连续梁,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,弯桥竖向支承布置形式,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,直线桥与曲线桥在偏心荷载作用下的扭矩比较 大半径桥梁不宜设计多跨连续独柱墩,弯桥水平向约束布置形式,径向变形：温度、收缩 切向变形：预应力、徐变,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,弯桥水平向约束布置形式,1

5、) 梁桥倾覆机理,研究内容,纵向与横向约束在相同位置 上海市南浦大桥浦东引桥连续弯箱梁支承布置 主梁横向受弯，线刚度低，弯矩不大,弯桥水平向约束布置形式,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,纵向与横向约束在不同位置 深圳华强路立交匝道支承布置 主梁横向完全不受弯,弯桥水平向约束布置形式,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,各约束均正常工作时，主梁夏天向内平移，冬天反向 如果伸缩缝被垃圾堵死，则全梁相当于平面拱 深圳华强北路立交2000年夏突然平面侧移的主要原因，不是偏载！,弯桥水平向约束布置形式,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,曲线箱梁逐渐向曲线外侧移动的原因： 弯梁有向外扭转的变形 向下容易，向上回不来,

6、弯连续梁预应力张拉后支座脱空的原因,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,对称截面、对称布置的预应力不产生初扭矩,弯连续梁预应力张拉后支座脱空的原因,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,对称截面、对称布置的预应力不产生初扭矩 竖向弯曲产生次反力产生次扭矩 计算连续弯桥支反力时必须考虑预应力的作用,中间独柱连续梁桥在什么情况下会侧倾？,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,小位移假定下，即使是直桥，除非主梁很轻，几乎不会侧倾 汽车位于支座连线外侧的力矩大于恒载回复力矩时，主梁直接侧翻，只有小支座间距钢梁宽桥会出现,哈尔滨阳明滩桥匝道汽车荷载位置,中间独柱连续梁桥在什么情况下会侧倾？,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,包头

7、民族路高架 大宽度、小支座间距 钢梁，车重151+153+151t 直接横向失稳倾覆,中间独柱连续梁桥在什么情况下会侧倾？,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,大位移假定下，考虑主梁在偏载作用下有很大的扭转位移 支反力会发生剧烈重分布 桥墩的强度不满足要求，盖梁、桥墩切断或折断 主梁倒塌,考虑非线性效应的梁桥倾覆机理,倾覆破坏原因,极少发生,强度问题,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,破坏原因之一：横向荷载平衡失稳,以最外侧支座连线为界 计算内外侧重量对该线的力矩 外侧力矩大于内侧力矩时失稳,不需考虑几何非线性影响 单跨或少跨 主梁的抗弯惯矩无穷大,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,事故梁桥倾覆过程非线性数

8、值模拟,采用空间三维实体有限元模型 根据实际车辆轴载大小和位置加载,与传统分析不同，考虑支座脱空、梁体大位移影响,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,倾覆过程数值模拟,倾覆的开始：支座脱空 倾覆的标志：梁体极大转角,支座脱空 结构转角急剧增加,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,事故桥梁倾覆过程模拟,非线性分析,线性分析,3978,7038,6545,2965,9176,1810,1416,8124,支座反力,支座反力,破坏原因之二：竖向反力重分配,梁体相对中支座有上移的趋势，中间支座反力减小 梁端未脱空一侧支座反力激增,支座竖向反力重分布，端支座受力不利 几何非线性影响不可忽略,1) 梁桥倾覆机理,研究

9、内容,分析了不同结构形式、跨径布置梁桥的倾覆过程 相同点：梁端支座一侧脱空，另一侧端反激增 不同点：中间支座脱空的先后顺序,不同结构形式下，梁端支座桥墩在倾覆过程中的竖向受力最不利,破坏原因之二：竖向反力重分配,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,破坏原因之二：竖向反力重分配,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,约束支座处水平位移，计算的水平反力（对于下部结构是偏安全的） 分析不同计算模式对水平力计算结果的影响,倾覆过程墩梁间存在水平力作用 传统形心约束计算模式，算不出水平力,破坏原因之三：墩梁水平力,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,浙江上虞立交事故桥 桥墩水平向抗力不足,破坏原因之三：墩梁水平力,1) 梁

10、桥倾覆机理,研究内容,中墩强度验算（偏压构件） S=20000kN R=704kN，强度不满足,Ur扭矩转动水平位移,Uv竖向荷载水平位移,梁体倾斜后，竖向荷载作用下产生压迫桥墩的水平位移Uv 梁体转动产生离开桥墩的水平位移Ur Uv和Ur共同形成梁体对支座桥墩的水平位移趋势，转角不大时，主梁压迫桥墩，转角超过一定值，主梁反向位移，脱离桥墩,转动引起的主梁和桥墩间的水平位移，形成墩梁间的水平力,破坏原因之三：墩梁水平力,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,梁体无转动时，无支座水平反力 一定转角范围内，转角增加水平反力增大 超过临界转角值，梁体转动脱离支座，计算得到负反力(实际负反力不会出现),水平反

11、力与梁体转角存在相关性，控制转角可限制水平反力大小,水平力和转角的关系,破坏原因之三：墩梁水平力,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,支座脱空是梁体倾覆的开始，但支座脱空并不一定发生倾覆破坏； 梁体转动引起结构几何非线性效应（偏心距增大），不可忽略； 诱发结构失效的是稳定问题，最终导致结构失效的是强度问题； 倾覆是极端偏载下，梁体转动引起支承体系强度破坏导致的结构失效。,梁桥倾覆过程总结,1) 梁桥倾覆机理,研究内容,事故车辆荷载统计 上海地区车辆荷载调研图片 上海地区车辆荷载数据采集点,2) 上海市车辆荷载研究,上海地区车辆荷载分析,重车荷载是梁桥倾覆的直接诱因 倾覆事故车辆荷载均远大于现行设计规

12、范 现场调研发现上海地区绕城高速重车密集,上海绕城高速重车较多，应对实际汽车荷载进行统计分析,研究内容,26 轴车 总重统计数据,重车分布特性分析,2012年8月-20139月间的23万个数据 超过60吨的重车比重为9% 实测最大车重达200吨,2) 上海市车辆荷载研究,研究内容,效应统计,模拟车流加载,利用实测车辆荷载信息拟合随机车流 计算和统计控制结构设计和横向安全稳定特定的响应,2) 上海市车辆荷载研究,研究内容,模拟车流效应和规范车流效应对比,模拟车流的效应（红色）是规范车流效应（绿色）的1.53倍,采用规范车辆荷载对绕城高速公路梁桥横向安全稳定性进行验算是危险的,2) 上海市车辆荷载

13、研究,研究内容,设计基准期内车辆荷载最大值推定,1年车辆荷载效应推定桥梁100年设计基准期车辆荷载效应,设计基准期内车辆荷载效应是规范的3.4倍,2) 上海市车辆荷载研究,研究内容,基于实测车流的上海绕城高速公路车辆荷载模型,2) 上海市车辆荷载研究,研究内容,调研区域和内容,调研近155公里路段上的梁桥结构 重点关注13处关键立交的匝道梁桥,3) 上海地区梁桥调研,研究内容,获取300余幅实桥资料,3) 上海地区梁桥调研,研究内容,简支板梁,T梁、小箱梁,钢箱梁,混凝土箱梁,统计结构形式 简支板梁、T梁和小箱梁结构破坏始于横向联系，最终为单片梁破坏 整体箱型截面独柱墩梁桥结构是本研究重点关注

14、结构,4大类别、16种梁桥结构形式,3) 上海地区梁桥调研,研究内容,统计梁桥的跨联布置和支座布置 典型跨联布置：3跨1联和4跨1联（占79%） 典型支座布置：中间短间距的双点铰支承（超40%） 不利支座布置：中间点铰支承（约30%）,百余座匝道梁桥,3) 上海地区梁桥调研,研究内容,确定典型结构和不利结构 典型结构： 中间双点铰支承大挑臂箱梁桥 中间短间距双点铰支承箱梁桥 不利结构： 中间单点铰支承钢箱梁桥 中间单点铰支承混凝土箱梁桥,3) 上海地区梁桥调研,研究内容,调研在役梁桥运营状态,内环：共和新路立交,中环：大柏树立交,绕城高速：近蕴川公路匝道,部分在役梁桥存在病害，影响结构横向安全

15、,支座破损 伸缩缝破损 桥墩破损,3) 上海地区梁桥调研,研究内容,4) 梁桥横向稳定验算准则,桥梁结构设计时，需要确保结构的横向安全定，对桥梁结构的横向安全进行验算。验算时，作用应采用其组合设计值，结构材料性能采用其强度设计值。 桥梁结构横向安全验算包括正常使用、整体稳定和构件强度验算。,一般规定,研究内容,4) 梁桥横向稳定验算准则,桥梁结构正常使用验算应满足：,式中： 支座压力系数； Rb 支座压力； Rs 支座上拔力； k 支座压力安全系数（建议取1.5）。,正常使用验算,研究内容,正常使用验算按照规范规定的车道荷载取值，支反力采用梁格法等空间计算方法进行，不满足要求时应设拉力支座或增

16、大支座间距。,4) 梁桥横向稳定验算准则,桥梁结构整体稳定验算应满足：,式中： qf 倾覆稳定系数； Sbk 抗倾覆力矩； Ssk 倾覆力矩； K 倾覆稳定安全系数（建议取1.5）。,稳定性验算,研究内容,结构整体稳定验算荷载应按照调查的极限荷载取值，不满足要求时应设拉力支座或增大支座间距。,桥梁构件强度即构件承载能力验算，应满足：,式中： 0桥梁结构的重要性系数； S 作用效应的设计值，按当地调查极限荷载取值； R 构件承载力设计值。,强度验算,0S R,4) 梁桥横向稳定验算准则,研究内容,构件承载能力验算需要考虑结构几何非线性的影响。可采用以下计算模式计算构件承载能力设计值。,式中： S 作用效应的设计值； l非线性增大系数；